2024量子信息技术发展与应用研究报告

前目一、量子信息领域总体发展态 （一）量子信息技术开辟未来产业发展新赛 （二）量子信息科研探索与技术创新高度活 （三）量子信息技术标准研究取得阶段性成 （四）企业数量增长放缓，投融资保持高水 二、量子计算研究与应用进 （一）硬件系统多技术路线并行，科研亮点成果涌 （二）量子纠错研究备受关注，距离实用化仍有差 （三）软件与云平多元开放发展，成熟度有待提 （四）多领域持续探索应用场景，欧美产业生态活 （五）构建测评体系成为热点，支撑技术与产业发 三、量子通信研究与应用进 （一）量子密钥分发科研持续推进，量子卫星受关 （二）量子信息网络是研究热点，多方推动前沿探 （三）量子保密通信应用持续探索，仍存在问题争 （四）抗量子加密标准正式发布，升级迁移逐步启 四、量子精密测量研究与应用进 （一）新技术方案不断涌现，基础前沿研究亮点纷 （二）欧美加大布局与投资力度，推动重点领域应 （三）光钟性能指标稳步提升，秒定义更新研究启 （四）产业生态构建初具雏形，规模商用仍面临挑 五、量子信息领域发展与展 图1量子信息各领域（a）科研论文（b）专利申请年度变化趋 图2量子信息各领域全球科研论文总量前十位国 图3量子信息各领域全球科研论文总量前十位机 图4量子信息各领域我国专利申请总量前十位省 图5量子信息领域企业数量（a）领域分布（b）年度增长趋 图6量子信息领域企业数量（a）国家分布（b）领域/区域对 图7量子信息领域独角兽企业（a）国家分布（b）平均估 图8量子信息领域企业投融资事件与金额年度变化趋 图9量子计算主要技术路线核心指标发展趋 图10量子计算软件技术体系框 图11量子计算硬件性能基准测评指标体 图12量子计算测评体系 图13新型协议QKD系统实验（a）TF-QKD（b）CV- 图14量子信息网络实验（a）城域三节点量子网络（b）量子存储器互 图15美国NIST抗量子密码（PQC）标准化历 图16量子精密测量主要技术方案与产品发展成熟 图17秒定义更新路线图任务完成 表1量子精密测量技术国防领域应用前景概 表2ITU-T量子信息领域国际标 表3ISO/IEC量子信息领域国际标 表4ETSI量子信息领域国际标 表5TC578量子信息领域国家标 表6TC485量子信息领域国家标 表7CCSA量子信息领域行业标 表8CSTC量子信息领域行业标 表9DL/TC27量子信息领域行业标 量子信息技术发展与应用研究报告（2024量子信息技术发展与应用研究报告（2024年于量子密钥分发（QKD）和量子随机数发生器（QRNG）续展，样产品研和平服务探不断进，但现规模应当前，2412发机构、建设平设施网络、孵化培育初创企业、提供产品服务采量子计算、量子由量子计算快速发展引发的密码破译威胁使得抗量子加密（C）C1 1量子信息各领域（a）科研论文（b）专利申请年度变化趋势域总和。量子通信和量子精密测量领域论文小幅增长，PQC领域在2018年之后论文增长加快，研究热度上升明显。专利申请方面，量PQC2018年之后专利图2量子信息各领域的全球科研论文总量前十位的国家统计如图量和C图3量子信息各领域的全球科研论文总量前十位的机构统计如图3所示。中国科学院（含下属院所、中科大、清华等研究机构和高图4量子信息各领域我国专利申请总量前十位的省市统计如图4PQC领域浙江企业专利布局较早。性，保障安全性和互操作能力，可提升产业链分工作水平与研发主要国家在发展战略布局中的关注重点之一。20247月，美国白开展标准化领导者和人才培养，加强与盟友国家作，提升国际标QKD系统和定义、提供表征测试基准、研究系统和平功能架构等初级阶段。用场景探索、网络与服务平建设部署等快速发展，技术标准研制T标准化组织与国际电工委员会（ISO/IEC、欧洲电信标准化协会（TC578（CCSA（CSTC2~9。在QKD321727项，同韩是ITU-T量子通信标准研究的主要推动力量。ETSI在QKD标准QKD1613项。ISO/IEC2项QKD安全性框架与测试国际标准，1项量子计算术语国际标准。2024年1月，ISO/IEC成立量子技术联技州大学HaeseongLee（量JTC316个技术方向国家标准方面，TC578负责量子计算和量子测量领域，目前已817743项。TC485负责量子通信领域，目前已发布《量子保密通信应用基本要行业标准方面，CCSA是我国量子通信行业标准研究主要平，1324项，协会标准237计算云平和量子测量网络等量子信息网络相关标准研究。C从密码行业角度，制定发布了2项D相关行业标准。/271测量和PQC5600300家，占比超过一半，量子通信和量子60家。 5量子信息领域企业数量（a）领域分布（b）2017-2021年是量子信息初创企业快速增长期，50余家，202166家。2022年起企业增速放缓的主要原因包括：全球经济不确定性和人工 6量子信息领域企业数量（a）国家分布（b）领域/6从国家分布看，176107家，数量位居第二，其他国家如加拿大、英国、德国、法200家，全球占比接近三分之二，科技巨企业在数量规模和产业影响力等方面仍有一定差距。PQC领域企业 7量子信息领域独角兽企业（a）国家分布（b）10月，12家量子信息领域独角兽企业7所示。80%1量子信息技术发展与应用研究报告（2024量子信息技术发展与应用研究报告（2024年5家准独角兽企业311家。上市企业方面，85亿图88所示。6006630047亿美元，量子通信和PQC融资规模较小，计约8.3亿美元9图9。202312月，IBM1121位物理比特超导量子处理器Condor133Heron10。2024年，芬兰IQM99.91%保真度CZ门，T1和T2分别达到0.964ms1.155ms11，成为超导样机新纪录。此外，超导量子比特的TerraQuantum提出原子级薄晶体结构Flowermon超导量子比特12，有望提升相干时间，降低制造复杂度IQM与慕尼黑大学联优化Transmon量子比特的参数设计，分析验证了电荷宇称切换效应13504位物理比特超导量子计算芯片“骁鸿”1472位物理比特芯片“悟力。2024Quantinuum离子阱原型机实现99.9979和99.914%的单/双比特逻辑门保真度，量子体积1,048,57616，进一步108个离子的高通光离子阱量子计算工程方面具有优势，比特规模扩展迅速，。20232801提升逻辑门操作精度的重要里程碑20。2024年，德国达姆施塔特工1110个原子22Infleqtion基于静止中99.902%99.35%的单/双量子比特门保真度23。中科光量子计算两类，前者朝通用量子计算发展，后者面向组优化等问题求解应用。2024QuiXQuantum在光量子芯片上演示GHZ态生成，展示了基于集成光子（PIC）技术实现大规模可扩展光量子计算的前景25AlquorBia量子计算云服务26550550W27。2024年，Intel研发硅半导体量子芯片新型制造与测试工艺，在自旋99.9%28澳大利亚Diraq在SiMOS量子点平实现超99%保真度双量子比特支持。谷歌等13家机构联团队提出32由101个量子比特组成、7的表面码，实验实现（0.143±0.003）%的量子比特错误率，作3356比特H20.0011的120.02422倍Quantinuum联团队34利用30个物理量子比特构建4个逻辑810−3错误率降低近80035基于QuantinuumH2新型量子纠错编码方案设计与实验验证取得诸多重要进展。2024年，IBM提出基于量子低密度奇偶校验码的纠错方案36，实现Alice&Bob误率<10−8100个逻辑量子比特。日本理化学研究所提出“多-超45%，首次利用逻辑量子比特实验证界持续开放探索，软件技术体系初步形成，如图10所示。图10量子计算应用软件24uatum然语言处理软件abeq0041zureuatmleens424景探索。执行量子程序，同时提供编译规则用以协调和约束编译操作。IM发布更新版ist软件，进一步提高量子硬件电路优化速度和存储44ItluaumK）1.1版本45。量子计算测控软件用于控制和处理硬件，执行运算操作德科技已在其量子控制系统中集成了Q-CTRLBoulderOpal软QuantrolOx公司推出量子比特自动化控制软件QuantumEdge量子芯片监测与控制自动化47。量子计算EDA软件可提供量子计算EDAQuantumPro，实AzureQuantum达发布CUDA-Q开源平提供量子-经典混编程工具推动量子段。K培育的核心汇聚点。硬件资源访问功能与算力服务，云平有望成为未来量子计算商业纷纷推出了量子计算云平服务。计算融架构与服务。2023年12月，IBMQuantum云平集成Q-CTRLQ-CTRLEmbedded51，将量子算法AmazonBraket云平推出BraketDirect计划，为开发者提供指定时间段保504比特量子计算芯片“骁鸿”54，支持大规模量子计算测控系统研究和云平服务。北京量子院联中科院物理所发布Quafu量子云平，提供百比特规模超导量子计算资源服务和启科量子等企业和机构作推出了五岳量子计算云平56。虽然国内外业界已有诸多量子计算云平建设与服务实践探索，需要指出的是，当前量子计算云平的各类型硬件资源在物理量子务，商业化模式尚未完全成熟。未来，打造量子计算云平商业价求解加速或量子优越性，才能形成量子计算云平和服务的商业逻业域机构业作展应问题研成为要趋势量子计的应场景探主要包量子拟、量组化、量人工智和04530耦强度和模式的长程量子伊辛模型量子模拟，实现可单比特分辨的量子态测量58。IBM和克利夫兰诊所作利用量子-经典混方法预测蛋白质结构并有效提升预测精度59。Novonesis和Kvantify使用量子组合优化通过量子技术为大规模复杂组优化问题提供高效解决方案，主要应用领域包括金融、能源、物流等。2024年，花旗银行和Classiq联研究投资组优化的量子解决方案基于预期回报和风险水平构建了性能更优的风险投资组62。美国IonQ与德用。2024年，英国石油公司和ORCA使用混量子-经典机器学习方法探索量子计算提升化学领域机器学习算法潜力65和InsilicoMedicine作利用量子人工智能开发具有更高结亲和KRAS抑制剂分子66。帝国理工学院和谷歌将新型数学方法与费米子神经网络相结，寻找量子化学领域分子状态建模解决领域的计算困难问题带来指数级加速。2024年，麻省理工学院设计了将Regev算法与Shor算法结新算法，有望使Shor算法在小规300余家，产业链和产业生态已初步形成并持续发展，欧美量产业链中游和态作力处于先。国量子算企数量、模较小在产业链下游企业包括云平供应商和行业应用企业等。IBM、微软、亚马逊等量子计算云平在硬件水平和用户数量等方面处于局和投入力度均保持较高水平。我国量子计算云平在软硬件能力（🖂）发不断深化，国内研究机构和企业纷纷推出样机产品和平服务，111关键参数综评价量子计算硬件系统整体性能，及其在解决特定应EPLGCLOPSh和IBM早期提出的量价量子计算系统硬件性能。2024QEDC更新面向应用priee7E、体系与验证平，DARPA还与伊利诺伊州签署谅解备忘录74，共建20249月，在中国信息通信（PT）展第四届量子计算论坛，中国1.0，涵盖量子计算全栈软硬件产品功能和性能基准，以及相应测试方法，如图12所示。图12托标准、企业标准、定制化测试方案等，开展量子计算云平功能与业界作研究迭代量子计算测评体系，开展量子计算技术、产品基于DG 来源：（a）PhysRevLett132260802（b）PhotonRes.121485-13QKD系统实验（a）TF-QKD（b）CV-在QKD科研探索方面，提升双光场（TF）和连续变量（CV）20246月，TF-QKD502公里光纤传输，如图13态制备CV-QKD13（b）所示，通过抑制被动态制备及51.09Gbit/s密钥成码率，有望成为接入网高速QKD解决方案。芯光纤实现四维混时间路径编码QKD系统传输实验密钥成码51.5kbit/s，多芯光纤有助于提升高维QKD系统传输鲁棒性。7光纤中QKD4.5kbit/s。美国斯坦福大学提出79基于真空腔和远距离空间透镜阵列组的真空光束波导（VBG）3个量级，同时具备高光谱带在QRNG前沿研究方面，提升样机产品集成化水平，探索测量子安全算法和零知识证明相结构建了基于DI-QRNG的随机数信可向公众提供随机数生成服务。20242月，山西大学报道81基于QRNG，随机数23Mbit/s，成为MDI-QRNG速率新纪录。5月，东QRNG382Gbit/s。2022面接收站，进一步探索验证星地量子密钥分发应用。20248月，中科大报道85济南一号微纳QKD卫星与多地小型化地面站间的星地同步轨道运行，系统工作频率达到625MHz，具备双向激光通信和100千克，单轨密钥成码量达595kbits886德国慕尼黑大学研制的技术验证。加拿大滑铁卢大学报道87完成量子加密和科学卫星2024189利97.5%，为分布式量子计算互联组网奠定基础。30%，突破电信波段25.9MHz0.973，大幅提升了光源亮度。在转换接口方面，23年109-动态范围5B，转换带宽1z，噪声等效温度3K，具备室温100耦在K024年3101-410 来源：（a）Naturev629p579–5852024)（b）Naturev629p573–57814量子信息网络实验（a）城域三节点量子网络（b）在组网实验方面，24年51a15104在波士顿1359105在4490中科大报道1067公里现网光纤的量子接口等实现方案。20249月，美国国家量子计划咨询委员会（NQIAC功能层协议模型，重点构建量子网络试验网和测试平，强化国际基于QKDQRNG和量子安全直接通信等方案的量子保密通信QKD（IPSec、（TLS商密钥融，QRNG生成的量子随机数与数字签名、加密等算法中的初始随机向量等融，可以实现更高安全性的身份认证和数据加用QKD量子密钥为天然气管网和电力线路等提供加密保护109关研究和示范应用110英国电信联东芝等开展数据中心的QKD技术融应用探索，提供数据传输加密的“量子密钥即服务”应用111。中电信量子推出华为Mate60ProSIM卡密QRNG芯片的GalaxyQuantum5量子安全手机，使用量子随机数进和挑战，商用化前景仍不明朗。20241月，法国网络安全局、德要专用设备和光纤资源支持，部署和运维成本高。白皮书还指出QKD技术在大多数传统密码学场景中难以实际应用，为了应对量子离线密钥充注方案，以及量子加密服务平、密码服务中间件等在网络紧耦的对称加密场景，则量子保密通信难以实现多类型业务生成量子密钥和QRNG生成量子随机数等进行按需适配和灵活应用，QKD和QRNG系统融。未来，加快量子保密通信技术工程化研发，实现产品提质115，未来可能快速破解H“牵CPQCPQC领域研究NISTPQC算法标准研究，201612PQC算证评估和标准编制三个阶段，20248月正式发布了首批三项PQC算法标准116，另有一项PQC算法标准待发布。美国NIST组织PQC算法标准研究工作历程如图15所示。15NIST抗量子密码（PQC）在NIST首批选定的四种PQC算法标准中Kyber和Dilithium两种算法的业界认可度最高，加密安全性、密钥大小和运算速度等指标领先，综性能出众，预计将成为大多数加密应用场景中的PQCFalcon（暂未正完全依赖格加密的安全性，NIST还选择了基于哈希的Sphincs+数字用的一种补充方案。此外，NISTPQC密钥封装CC子计算破解仍有待研究。T在C算法标准化过程中选择多种23年4月，清华大学提出可能破解格密码的量子算法117，法国L大学提出可削弱格密码的量子启发算法118，虽然攻击有效性有待密码学C关注。此外，美国T主导和国家安全局（A）深度参与制定C后”，也对C美国政府层面大力推动PQC2022法》120，NSA2.0版（CNSA2.0）121，全面启动国家信息系统PQC20247《PQC报告》122PQC迁移战略的主要原则：制PQCPQC迁移的系统和数据，以及尽早识别无法支持PQC算法的系统和应用。报告预计将在2035PQC升级迁移。谷歌宣布123Chrome浏览器等服务和服务器间通信启用了基于Kyber的PQC加密算法保护。苹果公司宣布124使用PQC算法和ECC算法混构建的PQ3加密算法对iMessage平通讯协议加密机制进行升级。AMD公司推出125PQCFPGASoC产品“SpartanUltraScale+”。德国Tuta公司推出126PQC算法与传统加密算法结为电子邮件服务提供量子安全保障Viavi和Keysight推出127支持PQC总体而言，PQC升级迁移将成为信息安全领域产业升级和竞争格局重构的重要契机，我国需加快制定自主可控的PQC算法标准，出等特点各异16所示。微波原子钟等量子时频基准产品已在秒定义、图16基于量子纠缠测量方案可突破经典方法性能极限。2023年11月，俄勒冈大学报道128量子纠缠干涉成像技术新方案，通过联测力。12月，韩国标准科学研究院报道129基于纠缠光源实现了量子光（QICT参考样品的深度分布图。20243月，英国格拉斯哥大学提出130基于量子纠缠的量子辅助自适应光学成像技术，成像清晰度提高24年4137究中心联团队利用含羰基有机共轭分子实现了原子尺度的电场/磁场传器132，与扫隧道显微镜相结有望实现对子、分子和8N）的二维量子传感芯片133望现更廉更通用量子感器。圳量院与中大等利10个光子的ok限高达18B，逼近海森堡极限134。9月，英国格拉斯哥大学等联团队利用掺杂五烯烃演示室温下相关自旋控制135物质搜寻的灵敏度7月美国费米国家实验室和芝加哥大学联团队利用超导量子位来制备非经典Fork态的超导微波腔，激发暗物质2.78倍137。8月，美国史蒂文斯理工学院和瑞典斯德哥尔摩大学联团队提出利用量202412政府同赠予、技术产品采购等方式，成为推动量子精密测量技I密测量项目140Teaqaum0万美金为美国空军开发小型化原子钟。量子器件设计软件企业uaDethsteearh获得5测量设备企业eahois获得15万美元资助开发用于生物成Rroelecrncs获得0L1I疗等领域应用。美国A资助军用级原型量子激光器的开发，英国科学、创新和技术部（DSIT）设立量子催化剂Catalyst）基金1421500万英镑，三家量子精密测量企业获项目Cerca进行量子脑磁扫描仪的开发，用于癫痫仪企业DeltaG基于重力梯度传感器技术开发半自主监测系统，对城市量子传感器和用于PNT和地球观测的增强量子时钟和惯性传感器等300万加元的启动资金。性导航等核心能力，对于战场态势感知和运载平测控等方面具有1以更高精度获得目标位置/速度等信通过地球磁场的微弱变化进行地下新兴防干扰、防黑客通信能力144。20245DSIT宣布在飞机平成功演示了基于量子技术的惯性导航系统145，标志着量子军作在舰船平对量子-经典混导航系统进行海上实验。6月，SandboxAQAQNav146（AI）结打造商业级实时地磁辅助导航系统，可在卫星定位导失效时，实现空中、陆地和海洋等环境自主导航。AQNav系统已在量子频率基准已成为时间频率计量领域的“定海神针”1967年，13届国际计量大会通过了采用铯原子跃迁频率来定义秒的决议，即以铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9,192,631,7701秒。从此，时频计量开启了“量60年的发展，以铯原子钟等为代表的微波原子时稳光学腔与超稳激光技术融应用确保了光学系统的长期稳定性，量技术进入了新纪元。20241月，中科大报道147通过两套独立的锶原子光晶格钟进行频率比对测量，稳定度在万秒积分时间达到8.1×10-19，刷新了时间频率计量精1499个量子比特的GHZ（SQL州理工学院与斯坦福大学联团队报道150实现了用于中性原子光学在2022年国际计量大会获得通过并启动开展秒定义更新相关研究工2030-2034年之间，可完成实现秒定义修改。CCTF提出图17CCTF还对现有时间频率相17所示。首先，3种不同跃迁的光频标，评定不确定度2e-18。其次，光频标比对精度满足指定要求。例如，各国5e-18精度的频率持续比1-29是个例外，仅需8eV就可以从最低能态（基态跃迁至某23欧洲粒子物理实验室制造出钍-29，首次确定激发能量为4eV。24年4B）联实了-29核迁首激激151。科精测院利用态载入结缓冲体碰冷却方实现离子的禁，同对1529国T联-29-87的频率比对153，测量结果相比以往报道提高了6个数量级。核钟研究产业链上游与化带来战。未，科单位、校和业需加强作，过游。推动应用赋能，增进各方福祉，已成为全人类的共同心愿。2024年6月，为纪念量子力学发展百年，2025年为国际量子科技年（IYQ）154，指出量子科技的发展对解决联国2030可持统协同迭代，提升技术成熟度与易用性。量子计算云平已成为融量子通信领域，新型D和G协议研究与系统实验持续D临些问题挑战，界需一步凝共识找准方向力攻方C识，美国正式发布C量技术应用价值，通过科技项目支持、政府同赠予、技术产品采攻关、研发标志性产品、建设基础设施平、促进产学研用协同、202410月。2ITU-TITU-TQ.4160Quantumkeydistributionnetworks–ProtocolITU-TQ.4161ProtocolsforAkinterfacesforquantumkeydistributionITU-TProtocolsforKq-1interfacesforquantumkeydistributionITU-TProtocolsforKxinterfacesforquantumkeydistributionITU-TQ.4164ProtocolsforCkinterfacesforquantumkeydistributionOverviewonnetworkssupportingquantumkeyFunctionalrequirementsforquantumkeydistributionQuantumkeydistributionnetworks–FunctionalQuantumkeydistributionnetworks–KeyQuantumkeydistributionnetworks–ControlandQuantumkeydistributionnetworks–Software-definednetworkingQuantumkeydistributionnetworks–RequirementsforqualityofserviceassuranceQuantumkeydistributionnetworks–QualityofserviceIntegrationofquantumkeydistributionnetworkandsecurestorageArole-basedmodelinquantumkeydistributionnetworksQuantumkeydistributionnetworks–FunctionalarchitectureforofserviceQuantumkeydistributionnetworks-RequirementsformachinelearningbasedqualityofserviceassuranceQuantumkeydistributionnetworks–functionalrequirementsarchitectureformachinelearningQuantumkeydistributionnetworks–OverviewofQuantumkeydistributionnetworks–FunctionalarchitectureenhancementofmachinelearningbasedqualityofserviceassuranceQuantumkeydistributionnetworks–RequirementsandmodelforautonomicmanagementandcontrolQuantumkeydistributionnetworks–RequirementsforQuantumkeydistributionnetworks-RequirementsforautonomicqualityofserviceassuranceQuantumkeydistributionnetworkfederation-ReferenceIntegrationofquantumkeydistributionnetworkandtime-sensitivenetwork-frameworkIntegrationofquantumkeydistributionnetworkandusernetworksupportingend-to-endmoderncryptographyservices-ITU-TQuantumnoiserandomnumbergeneratorITU-TSecurityframeworkforquantumkeydistributionITU-TX.1712Securityrequirementsandmeasuresforquantumkeydistributionnetworks–keymanagementITU-TX.1713SecurityrequirementsfortheprotectionofquantumkeydistributionITU-TX.1714KeycombinationandconfidentialkeysupplyforquantumkeydistributionnetworksITU-TX.1715Securityrequirementsandmeasuresforintegrationofquantumkeydistributionnetworkandsecurestoragenetwork3ISO/IECSecurityrequirements,testandevaluationmethodsforquantumkeydistributionPart1:RequirementsSecurityrequirements,testandevaluationmethodsforquantumkeydistributionPart2:EvaluationandtestingmethodsInformationtechnology-Quantumcomputing-4ETSIETSIGRQKDV2.1.1(2018-QuantumKeyDistribution(QKD);ComponentsandETSIGRQKD007V1.1.1(2018-12)QuantumKeyDistribution(QKD);ETSIGSQKD002V1.1.1(2010-06)QuantumKeyDistribution(QKD);UseETSIGSQKDQuantumKeyDistribution(QKD);ComponentsandV1.1.1(2010-ETSIGSQKD004V1.1.1(2010-12)QuantumKeyDistribution(QKD);ApplicationETSIGSQKD004V2.1.1(2020-08)QuantumKeyDistribution(QKD);ApplicationETSIGSQKDV1.1.